Kvantfüüsikale omase superpositsiooni kohaselt ei asu ükski osake kindlas punktis, vaid tõenäosusliku pilvena mitmes kohas korraga. Seni on nähtust vaadeldud peamiselt pisiosakeste, nagu elektronide ja üksikute aatomite näitel. Ajakirjas Nature avaldatud uuringus kirjeldab töörühm nüüd, kuidas neil õnnestus teha analoogne katse ligikaudu 7000 naatriumi aatomist koosneva klastriga.

Teadlased juhtisid need massiivsed osakesed läbi Talbot-Lau interferomeetri. Mõõteseade koosneb ülikülmas vaakumis asuvatest ja laseritega tekitatud piludest ehk võredest. Katse tulemusena ei läbinud aatomikobarad seadet nagu tahked kuulid, vaid käitusid lainetena.

Lainelist käitumist tõestas detektorile ilmunud triibuline muster ehk interferents. Nähtus on võrreldav vette korraga kahe kivi viskamisega. Kui vallanduvad lained läbivad kõrvuti asuvaid pilusid, hakkavad nad teisel pool pilusid omavahel liituma ja üksteist vastastikku mõjuma. Kohtades, kus kohtuvad kahe laine harjad või nõos, liituvad need üheks suuremaks laineks. Selles piirkonnas on tõenäosus osakest leida kõige suurem ja sinna koguneb rohkem aatomeid.

Seevastu piirkondades, kus ühe laine hari kohtub teise laine nõoga, toimub vastastikune kustutamine. Need lained hakkavad teineteist nullima, mistõttu sinna aatomeid ei jõua. Nende tugevnevate ja kustuvate piirkondade vaheldumine tekitabki ekraanile iseloomulikud heledad ja tumedad triibud. Alad, kus aatomeid on palju, vahelduvad aladega, kus neid pole üldse.

Kvantmaailmas saab osake interfereeruda ka iseendaga. Nõnda kinnitas interferentsimuster, et osakesed olid lennu ajal superpositsioonis. Iga aatomikobar asus üheaegselt kahes kohas, mida eraldas 133 nanomeetrit. Umbes sama suur on korralikult väljaarenenud gripi- või koroonaviiruse läbimõõt, katses kasutatud osakeste enda läbimõõtu ületas vahemaa enam kui kümnekordselt.

Kvantmaailma ulatus

Eksperiment puudutab füüsika fundamentaalset küsimust kvantmaailma ja klassikalise füüsika piirist. Austria füüsik Erwin Schrödinger illustreeris 1935. aastal olukorra absurdsust oma kuulsa mõtteeksperimendiga. Schrödinger kujutas ette kassi, kes on suletud teraskasti koos surmava mehhanismiga. Kastis on väike kogus radioaktiivset ainet, mille ühe aatomi lagunemisel vallandub kassile surmav mürk.

Kvantmehaanika kohaselt on aatom enne vaatlust superpositsioonis – see on üheaegselt lagunenud ja lagunemata. Sellest järeldub paradoksaalne olukord, kus kuni kasti avamiseni peaks ka kass viibima määramatus olekus, olles üheaegselt nii elus kui ka surnud. Viini teadlaste eksperimendis täitis kassi rolli naatriumikobar. See ei olnud küll elus ega surnud, kuid asus analoogselt Schrödingeri kassiga korraga seal ja mitte seal ehk üheaegselt kahes selgelt eristatavas asukohas.

Laiemas vaates hinnatakse kvantoleku ulatust makroskoopilisuse näitajaga. See arvestab objekti massi, kvantolekus püsimise aega ja osakese hajumise ulatust. Värske eksperimendi makroskoopilisuse näitaja oli 15,5, ületades varasemaid sarnaseid katseid suurusjärgu võrra.

Uurimisrühma juhtivautori Sebastian Pedalino sõnul ei sea standardne kvantmehaanika objektide suurusele ega massile teoreetilisi piire. Tema hinnangul peavad just katsed näitama, kas looduses kehtib siiski mõni senitundmatu seaduspära, mis suuremate kehade puhul kvantefektid välistab.

Näiteks ei asu reeglina mitmes kohas argielust tuttavad suured objektid, nagu diivanid või kullakangid. Seda põhjustab dekoherents ehk objektide pidev vastasmõju ümbritseva keskkonnaga. Füüsikud on välja pakkunud aga ka nn kollapsi teooriaid. Need väidavad, et alates teatud massist sunnivad loodusseadused suuri objekte paratamatult käituma klassikaliselt.

Viinis tehtud eksperiment kitsendas selliste teooriate kehtivusala. Tulemused näitasid, et vähemalt viiruse suurusjärgus objektide puhul kehtib endiselt tavapärane kvantmehaanika ja alternatiivseid mudeleid pole tarvis appi võtta.

Tulevikus plaanivad teadlased katseid korrata veelgi suuremate objektidega. Pedalino kinnitusel pole katsetes bioloogiliste materjalide, näiteks viiruste kasutamine enam kättesaamatu unistus. See võimaldaks uurida kvantinterferentsi uutes tingimustes.